2013年2月3日

科學玩具-能量轉換-鋼鐵勁鋁


鋁箔,金屬製品的一種,厚度不會和紙張差太多,因此也成為這次試驗的受害者

另外,僅僅只有鋁箔被夾擊時,就不會出現破洞,也不像紙張上有燒焦的現象,這是因為它是屬於無機領域的金屬。且鋁箔金屬延展性佳,再加上導熱性質良好,能量不會集中在撞擊點上,所以不易因為應力的加入或能量的提供而輕易破裂。
有別於紙張上的破洞,鋁箔所形成的圖案就像漣漪一樣

由撞擊點向外傳遞帶有能量的衝擊波
可以仔細看看撞擊過後的鋁箔上的紋路,這一張像漫畫火影忍者內的六道輪迴眼

這一張更顯示出波動及能量以撞擊點為圓心,朝向四面八方傳播出去

鋁箔金屬上有可移動的自由電子,在金屬撞擊後獲得能量。電子從低能階的基態躍升為高能階的激發態,然後再從高能階的激發態回到低能階的基態時,以「聲」與「熱」的形式將能量轉換出來,有時候甚至可以產生「光」。所以撞擊點上除了轉換出熱能外,應該還有聲能、光能和部分能量所產生的衝擊波,可以仔細觀察撞擊過後的鋁箔上的紋路。
把紙張和鋁箔疊在一起,用鋼球再撞擊一次,比較看看和先前的實驗有什麼不同

你發現了嗎?鋁箔和紙張都破了!
上方四個未破的是僅有鋁箔時的撞擊波紋
中間偏下方的兩個洞則是與紙重疊時撞擊效果

和前面的實驗不一樣的地方是,這次是將紙張和鋁箔疊在一起後,再用鋼球撞擊。沒想到卻有令人驚奇的發展,原本撞不破的鋁箔這次連同紙張都被衝擊出一個個大洞!
每一次的撞擊都會在鋁箔上製造出一個洞
更令人驚訝的,這次紙張沒有燒焦的痕跡,而是能清楚地看見鋁箔和紙張熔在一起

這些閃亮亮的金屬不是別的,就是來自鋁箔
撞擊之後的紙張與鋁箔密合程度非常大,很像紙錢上那層薄薄的金箔的感覺

其實這個實驗的目的即為演示如何將機械能轉換成熱能。兩個快速移動中的沉重鋼球在相互撞擊的瞬間,會把彼此擁有的動能轉換成為撞擊點上的熱能。如果選用更大顆的鋼球,當然質量可以變得更重,但相對的,撞擊範圍就會增大,所以產生的能量也會分散,單位面積上的能量少的時候,就不易將紙張「燒破」,因此關鍵在於能量是否可以「集中」在極小的範圍。

這個實驗要小心的是手指和腳趾,因為太重,所以要小心它掉下去砸到自己的腳或磁磚,同時也要確定的是,在兩個球中間只能是紙張或鋁箔,而不是自己的手指。這兩種意外都會導致一連串鏗鏘有力但無意義的話語從受害者口中蹦出來。

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